4536

МИНИСТЕРТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Г. Ф. МОРОЗОВА»

ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ МЕЛИОРАЦИИ ОБЪЕКТОВ ЛАНДШАФТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

Методические указания к практическим занятиям для студентов

по направлению подготовки

35.03.10 –Ландшафтная архитектура

Воронеж 2018

2

УДК 630*237

Гидротехнические мелиорации объектов ландшафтного строительства [Электронный ресурс]: методические указания к практическим занятиям для студентов по направлениям подготовки 35.03.10 –Ландшафтная архитектура / Галдина Т.Е., Андрющенко П.Ф.; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2018. –

32 с.

Печатается по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВО «ВГЛТУ» (протокол № 1 от « 17» сентября 2018 г.)

Рецензент доц. кафедры градостроительства ФГБОУ ВО ВГТУ, кандидат с.-х. наук Гурьева Е.И.

3

ВВЕДЕНИЕ

Гидротехнические мелиорации призваны служить мощным средством увеличения прироста древесины и улучшения ее качества. Совместно с лесохозяйственными, лесокультурными и другими мероприятиями они создают базу для лесовосстановления, лесоэксплуатации, улучшения путей транспорта, изменения лесистости в засушливых регионах и тем самым повышают продуктивность как лесного, так и сельского хозяйства. Кроме того, для лесохозяйственных предприятий гидротехнические мелиорации носят комплексный характер, когда водные ресурсы используются для регулирования влажности почв на лесных и сельскохозяйственных землях, обводнения, противопожарных мероприятий, улучшения экологических и естественных свойств лесных площадей.

Практические занятия по гидротехническим мелиорациям имеют цель познакомить студентов с решением задач, связанных с применением теоретических разработок для достижения различных практических целей. Благодаря такому подходу студенты закрепляют свои теоретические знания и получают основные навыки изучения водного режима реки.

Всостав практических работ входит детальное ознакомление студентов

сосновами гидрологии. Для этой цели проводится решение различных задач

сприменением основных вопросов гидравлики с основами гидрологии и гидрометрии. Основной упор решения задач направлен на изучение гидростатики и гидродинамики, изучение истечения жидкости через отверстия и насадки, перелива воды через водосливы, гидравлический расчет каналов и водотоков, а также основы гидрологии и гидрометрии, способы определения скоростей и расходов воды в реках и других водотоках.

4

1ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ БЫСТРОТОКА

1.1.Общие сведения о быстротоке

Быстроток представляет собой сооружение, основная (по длине) часть которого имеет уклон i iкр . Быстроток состоит из входной части, лотка

быстротока или транзитной части (его называют также водоскатом) и

выходной части (рис. 1).

Рисунок 1 - Быстроток

Входная часть быстротока выполняется аналогично входной части перепадов: по типу водослива или по типу сооружения, работающего по схеме истечения из-под затвора (плоского или криволинейного, например сегментного). На входе может быть устроен и водослив без затворов или с затворами, регулирующими расход и соответственно глубину в подводящем канале (русле) (рис. 2).

Расчет входной части ведется по формуле расхода водослива или при истечении из-под затвора. При этом истечение через водослив и из-под затвора на входе в быстроток неподтопленное.

5

1.2.Водоскат быстротока.

В зависимости от отношения начальной глубины, с которой начинается кривая свободной поверхности на транзитной части быстротока,

и нормальной глубины на водоскате быстротока могут быть различные формы кривой свободной поверхности.

Рисунок 2 – Схема работы быстротока

Уклон дна транзитной части быстротока больше критического уклона,

нормальная глубина ho hкр . Глубина, с которой начинается кривая свободной поверхности на транзитной части, может быть и больше, и меньше ho . Соответветственно образуются или кривые спада IIb , или кривые подпора IIc . Эти кривые свободной поверхности в каждом случае асимптотически стремятся к линии нормальных глубин. Если длина лотка быстротока достаточна, то начиная с некоторого створа по длине глубины можно считать близкой к ho , отличающейся от нее на 2-3 %.

При меньшей длине лотка быстротока глубина в конце наклонной части быстротока больше отличается от ho и должна определяться из расчета кривой свободной поверхности от начального створа до створа, где заканчивается транзитная часть быстротока.

Если начальная глубина равна ho , то глубины на транзитной части

6

быстротока не изменяются по длине.

Таким образом, расчет потока на водоскате сводится к определению анализу кривой свободной поверхности, определению типа этой

кривой и ее расчету, т. е. отысканию глубин в различных сечениях по длине вплоть до конца транзитной части.

Расчет кривой свободной поверхности на водоскате производится по любому из способов расчета при

Если транзитная часть быстротока состоит из двух или более частей с разными уклонами ( i1 iкр i2 iкр и т. д.), то ниже места изменения уклона образуются различные кривые свободной поверхности в зависимости от соотношения i1 и i1 при i1 i2 обычно наблюдается кривая подпора

а при i1 i2 - кривая спада IIb .

Строго говоря, глубины должны назначаться по нормали к дну (живое сечение нормально к линиям тока), но очень часто под глубиной понимают расстояние от дна до свободной поверхности по вертикали.

1.3.Аэрация потока на быстротоках.

При входе потока (рис. 3) на начальный участок I длиной l

происходит нарастание турбулентного пограничного слоя вплоть до его выхода на поверхность. Свободная поверхность на этом участке остается ненарушенной какими-либо возмущениями, отсутствует рябь на свободной поверхности. В пределах начального участка существует ядро постоянных скоростей.

7

Рисунок 3 – Аэрация потока на быстротоке.

Условно можно считать, что на участке II длиной l происходит зарождение волн, которые затем обрушиваются. В створе 2-2 происходит начало аэрации, ниже этого створа - участок неравномерного движения аэрированной жидкости III , а за ним, если достаточна длина водоската, -

участок равномерного движения (IV).

В настоящее время предложены две гипотезы возникновения аэрации.

Согласно первой аэрация на водосбросах происходит при разрушении волн,

образующихся на свободной поверхности; по второй под воздействием поперечной (нормальной к направлению движения) пульсационной составляющей скорости через свободную поверхность в воздушную среду выбрасываются капли воды, а в образовавшихся на поверхности воды полостях (кавернах) защемляется воздух.

В явлении аэрации существенное значение имеет поверхностное натяжение, способствующее неизменности свободной поверхности.

1.4.Волнообразование на быстротоках.

При определенных условиях, как будет показано ниже, может произойти потеря устойчивости потока на быстротоке, которая выражается в образовании на транзитной части катящихся волн (рис.14). Они образуются в некотором сечении 1-1, затем высота (и длина) волн увеличиваются.

8

Наконец, в сечении, находящемся на расстоянии lпред от сечения 1-1, где

начинается волнообразование, волны могут достичь предельного развития, а

далее происходит движение волн с неизменным профилем. При этом максимальная глубина воды в сечении с вершинами волн превышает расчетную нормальную глубину ho на водоскате при одном и том же расходе.

Если длина водоската ниже сечения, где начинается волнообразование,

меньше, чем lпред , то высота катящихся волн не достигает максимального

значения.

На участке кривой подпора возникшее выше по течению волновое движение усиливается, на участке кривой спада, наоборот, затухает.

Волны могут вызывать значительные всплески в зоне сопряжения в выходной части быстротока и неустановившееся движение в отводящем канале, что крайне нежелательно.

Рисунок 6 - Волнообразование на быстротоках.

Источником волнообразования являются турбулентные возмущения.

Если они достигают свободной поверхности сразу по всей ширине потока, то это может привести к образованию катящихся волн.

Если анализируются возможность появления катящихся волн и их

9

движение для неравномерного движения, то соответствующие величины относятся к началу волнообразования.

Детальные расчеты движения катящихся волн, а также анализ условий,

в которых без опасности для сооружения может быть допущено волновое движение описанного вида на быстротоках, необходимо выполнять в соответствии с нормативами.

Для увеличения устойчивости бурного потока в ряде случаев применяются различные конструктивные меры: «безволновые» формы поперечного сечения быстротока (параболическая, треугольная,

эллиптическая, гиперболическая и с продольными треугольными углублениями в дне) - рис.16, или устраиваются продольные стенки.

Рисунок 8 - Формы поперечного сечения быстротока

1.5.Расчет выходной части.

Выходная часть обычно имеет уклон дна i iкр и, следовательно,

поток в бытовых условиях находится в спокойном состоянии.

Образующийся гидравлический прыжок может быть надвинутым,

отогнанным или начинаться непосредственно у конечного сечения водоската.

Поскольку ширина отводящего канала (русла) обычно больше, чем ширина быстротока в конце его транзитной части, устраивают расширяющийся переходный участок. При надвинутом на водоскат гидравлическом прыжке,

полностью размещенном на транзитной части, на переходном участке будет происходить неравномерное движение в непризматическом ( db / dl 0)

10

русле, причем растекающийся поток - в спокойном состоянии.

При устройстве, например, водобойного колодца его ширину часто назначают равной ширине водоската, и тогда на переходном участке

расширяется поток, находящийся в спокойном состоянии.

Гидравлический прыжок также может быть размещен в расширяющемся (в плане) водобойном колодце. Расчет при этом ведется на

основе уравнения гидравлического прыжка в русле переменного сечения.

Определив вторую сопряженную глубину, найдем длину водобойного колодца. При центральном угле расширения 7°) глубины в

каждом сечении растекающегося бурного потока приблизительно постоянны и гидравлический прыжок в плане нормален к оси потока. При больших гидравлический прыжок в плане имеет криволинейную форму.

Если переходный участок, в котором происходит растекание,

запроектировать расширяющимся, то можно будет изменять удельный расход в сечении, где начинается гидравлический прыжок. В связи с этим

изменяется значение второй сопряженной глубины.

Часто применяется схема, когда поток, находящийся в бурном состоянии, растекается в расширяющемся переходном участке (обычно i =0),

а в конце этого участка начинается водобойный колодец той же ширины, что и дно отводящего канала. Размещение колодца именно в конце расширяющегося участка, где стенки сопрягаются со стенками на выходе из расширения, способствует гашению волн возмущения, которые могут возникнуть в этом месте. Очертание боковых стенок, обеспечивающее достаточно удовлетворительные условия расширения, соответствует

Для различных отношений b / bотв в прямоугольном канале ( b -

ширина в начале расширения, bотв - ширина отводящего канала) построен график (рис.9).